ההתקדמות התיאורטית האחרונה שיפרו את ההבנה של תכונות הבוזון של היגס, תוך התמקדות בחתך הרוחב שלו במהלך התנגשויות גלואון-גלואון. מחקר זה מדגיש את הרלוונטיות של תיקונים מסדר גבוה ומאשר את התחזיות של המודל הסטנדרטי, כאשר חקירות נוספות צפויות להבהיר את הפוטנציאל לפיזיקה חדשה.
מחקר חדש מאשר את התחזיות של המודל הסטנדרטי לגבי בוזון היגס, בעוד שמציע נתונים עתידיים עשויים לחשוף היבטים לא ידועים של פיזיקת החלקיקים.
בוזון היגס התגלה בגלאים של מאיץ ההדרון הגדול לפני תריסר ומשהו שנים. זה הוכח כחלקיק כל כך קשה לייצור ולצפייה, שלמרות חלוף הזמן, תכונותיו עדיין אינן ידועות בצורה משביעת רצון דיוק. עכשיו אנחנו יודעים קצת יותר על מקורו, הודות להישג שפורסם זה עתה של קבוצה בינלאומית של פיזיקאים תיאורטיים בהשתתפות המכון לפיזיקה גרעינית של האקדמיה הפולנית למדעים.
Higgs Boson Discovery
העולם המדעי תמימי דעתו כי התגלית הגדולה ביותר שנעשתה עם מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) היא בוזון היגס המפורסם. במשך שתים עשרה שנים, פיסיקאים מנסים ללמוד בצורה מדויקת ככל האפשר על תכונותיו של החלקיק היסודי החשוב הזה. המשימה קשה ביותר בגלל האתגרים הניסיוניים ומכשולים חישוביים רבים.
למרבה המזל, זה עתה חלה התקדמות משמעותית במחקר התיאורטי, הודות לקבוצת פיזיקאים מהמכון לפיזיקה גרעינית של האקדמיה הפולנית למדעים (IFJ PAN) בקרקוב, אוניברסיטת RWTH Aachen (RWTH) באאכן וה-Max- Planck-Institut für Physik (MPI) ב-Garching ליד מינכן.
"חלקיק אלוהים"
המכונה לעתים קרובות "חלקיק האל", בוזון היגס קיבל את הכינוי הזה מכותרת ספרו של ליאון לדרמן. הכותרת המקורית, חסרת הכבוד יותר "החלקיק הארור" נועד לשקף את התסכול על הקושי בזיהויו. המוציא לאור בחר בשם פחות שנוי במחלוקת, אשר לוכד את המשמעות של בוזון היגס בפיזיקה של החלקיקים: הוא מרכזי בתיאוריה המסבירה כיצד חלקיקים אחרים רוכשים מסה, היבט בסיסי במבנה היקום שלנו.
בוזון היגס (כחול) עשוי להיווצר על ידי אינטראקציה של גלוונים (צהובים) במהלך התנגשויות פרוטונים. פרוטונים מורכבים משני קווארקים למעלה (אדום) וקווארק אחד למטה (סגול), הקשורים בגלואונים בצורה כה חזקה עד שבים החלקיקים הווירטואליים (אפור) עשויים להופיע קווארקים ואנטי-קווארקים מסיביים יותר, למשל, קווארקים יפים, נוכחות של מה שמשפיע גם על תהליך הלידה של הבוזונים של היגס. קרדיט: IFJ PAN
תפקידו של המודל הסטנדרטי
המודל הסטנדרטי הוא מבנה תיאורטי מורכב שנבנה בשנות ה-70 כדי לתאר באופן קוהרנטי את חלקיקי החומר היסודיים הידועים כיום (קווארקים, כמו גם אלקטרונים, מיואונים, טאו והשילוש הנלווה של ניטרינו) וכוחות אלקטרומגנטיים (פוטונים) וכוחות גרעיניים. (גלואונים במקרה של אינטראקציות חזקות, בוזונים W ו-Z במקרה של אינטראקציות חלשות).
הדובדבן שבקצפת ביצירת המודל הסטנדרטי היה הגילוי, הודות ל-LHC, של בוזון היגס, חלקיק הממלא תפקיד מרכזי במנגנון האחראי על מתן מסות לשאר חלקיקי היסוד. מציאת ההיגס הוכרזה באמצע 2012. מאז, מדענים מנסים להשיג מידע רב ככל האפשר על החלקיק החשוב ביסודו.
שיפור ניתוח התנגשות בוזון היגס
"עבור פיזיקאי, אחד הפרמטרים החשובים ביותר הקשורים לכל חלקיק אלמנטרי או גרעיני הוא החתך של התנגשות ספציפית. הסיבה לכך היא שהוא נותן לנו מידע על התדירות שבה אנו יכולים לצפות שהחלקיק יופיע בהתנגשויות מסוג מסוים. התמקדנו בקביעה התיאורטית של חתך בוזון היגס בהתנגשויות גלואון-גלואון. הם אחראים לייצור של כ-90% מההיגס, שעקבות נוכחותם נרשמו בגלאים של מאיץ ה-LHC", מסביר ד"ר רנה פונסלט (IFJ PAN).
פרופ' מיכל צ'קון (RWTH), שותפה לכותבת המאמר בכתב העת היוקרתי לפיזיקה מכתבי סקירה פיזית, שם הציגו המדענים את חישוביהם, מוסיפה: "מהות עבודתנו הייתה הרצון לקחת בחשבון, בעת קביעת החתך הפעיל לייצור בוזונים של היגס, תיקונים מסוימים שבשל תרומתם הקטנה לכאורה, הם בדרך כלל מוזנחים, כי התעלמות מהם מפשטת משמעותית את החישובים. זו הפעם הראשונה שהצלחנו להתגבר על הקשיים המתמטיים ולקבוע את התיקונים הללו".
המשמעות של תיקונים מסדר גבוה
ניתן לראות את חשיבות התפקיד של תיקונים מסדר גבוה יותר להבנת המאפיינים של בוזוני היגס מהעובדה שהתיקונים המשניים המחושבים במאמר, ככל הנראה קטנים, תורמים כמעט חמישית לערכו של הצלב הפעיל המבוקש. סָעִיף. זאת בהשוואה לתיקונים מסדר שלישי של שלושה אחוזים (אך שמפחיתים את אי הוודאות החישובית לאחוז אחד בלבד).
חידוש בעבודה היה לקחת בחשבון את ההשפעה של מסת קווארק תחתית, מה שהוביל לתזוזה קטנה אך מורגשת של כאחוז אחד. כדאי להזכיר כאן שה-LHC מתנגש בפרוטונים, כלומר חלקיקים המורכבים משני למעלה קווארקים ואחד למטה קווארק. הנוכחות הזמנית של קווארקים בעלי מסה גדולה יותר בתוך פרוטונים, כמו קווארק היופי, היא תולדה של האופי הקוונטי של האינטראקציות החזקות הקושרות את הקווארקים בפרוטון.
"הערכים של החתך הפעיל לייצור בוזונים של Higgs שנמצאו על ידי הקבוצה שלנו ונמדדו בהתנגשויות אלומה קודמות ב-LHC הם כמעט זהים, באופן טבעי תוך התחשבות באי דיוקים חישוביים ומדידה נוכחיים. לפיכך נראה כי לא נראים מבשר לפיזיקה חדשה בתוך המנגנונים האחראים ליצירת בוזונים של היגס שאנו חוקרים – לפחות לעת עתה", מסכם ד"ר פונסלט את עבודת הצוות.
השלכות על המודל הסטנדרטי והפיזיקה החדשה
האמונה הרווחת בקרב מדענים בצורך בקיומה של פיזיקה חדשה נובעת מהעובדה שלא ניתן לענות על מספר שאלות חשובות מהיסוד באמצעות המודל הסטנדרטי. למה לחלקיקים היסודיים יש את המסה שהם עושים? למה הם מקימים משפחות? ממה עשוי החומר האפל, שעקבותיו נראים כל כך בבירור בקוסמוס? מהי הסיבה לדומיננטיות של החומר על פני אנטי-חומר ביקום? גם את המודל הסטנדרטי צריך להרחיב כי הוא בכלל לא לוקח בחשבון את כוח המשיכה, שהיא אינטראקציה שכיחה כל כך.
עתיד המחקר של היגס בוזון והמודל הסטנדרטי
חשוב לציין, ההישג האחרון של פיזיקאים תיאורטיים מה-IFJ PAN, RWTH ו-MPI אינו שולל באופן סופי את נוכחותה של פיזיקה חדשה בתופעות הנלוות להולדת בוזון היגס. הרבה עשוי להשתנות כאשר יתחילו לנתח נתונים ממחזור המחקר הרביעי המתחיל בהדרגה של מאיץ ההדרונים הגדול.
המספר ההולך וגובר של תצפיות על התנגשויות חלקיקים חדשים עשוי לאפשר לצמצם את אי הוודאות המדידה בצורה כזו שהטווח הנמדד של חתכי הרוחב המותרים לייצור היגס אינו עולה בקנה אחד עם זה המוגדר בתיאוריה. אם זה יקרה או לא, הפיזיקאים יגלו בעוד כמה שנים. לעת עתה, הדגם הסטנדרטי יכול להרגיש בטוח יותר מאי פעם – והעובדה הזו מתחילה לאט לאט להפוך לגילוי המפתיע ביותר שנעשה עם ה-LHC.
